RU1837215C - Method of determining phase transition heat of bound water in frozen soils - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области тепло- физических измерений и может быть использовано в строительстве npj проектировании сооружений,работающих в услови х замерзани  и оттаивание грунтов. Цель изобретени  - повышение точности. Исследуемый образец грунта замораживают до фиксированной температуры, нагревают образец до температуры оттаивани , измер ют суммарное алагосодержание и теплоту оттаивани  при различной начальной влажности, обеспечивающей нахождение температур оттаивани  в зоне интенсивных фазовых превращений, определ ют зависимости суммарного влагссодержани  и теплоты оттаивани  от температуры оттаивани  с последующим вычислением искомой характеристики . 3 табл., 3 ил.The invention relates to the field of thermophysical measurements and can be used in the construction of npj design of structures operating in conditions of freezing and thawing of soils. The purpose of the invention is to improve accuracy. The soil sample under study is frozen to a fixed temperature, the sample is heated to a thawing temperature, the total moisture content and thawing heat are measured at various initial humidity, which ensures the defrosting temperature is found in the zone of intense phase transformations, the dependences of the total moisture content and thawing heat on the thawing temperature are determined, followed by calculation desired characteristics. 3 tablets, 3 ill.

Description

Изобретение относитс  к теплофизиче- рким измерени м и может быть использовано дл  решени  широкого класса задач промерзани  и оттаивани  при проектировании и строительстве зданий и сооружений на мерзлых грунтах.The invention relates to thermophysical measurements and can be used to solve a wide class of problems of freezing and thawing in the design and construction of buildings and structures on frozen soils.

Цель изобретени  - повышение точности .The purpose of the invention is to improve accuracy.

Сущность изобретени  по сн етс  чертежом , где на фиг.1 приведена схема устройства , реализующего способ определени  теплоты фазового перехода св занной воды в мерзлых грунтах; на фиг.2 - изображен график изменени  теплового готока, как функци  температуры, который вычерчиваетс  на графопостроителе при оттаивании мерзлого грунта; на фиг.З показа- ю изменение температур; оттаивани  иThe invention is illustrated in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a device that implements a method for determining the heat of phase transition of bound water in frozen soils; Fig. 2 is a graph showing the change in heat flow as a function of temperature, which is plotted on a plotter during thawing of frozen ground; Fig. 3 shows a change in temperature; thaw and

льдистости грунта при изменении суммарной влажности грунта.ice content of the soil when changing the total soil moisture.

Способ осуществл ют следующим образом .The method is carried out as follows.

Образец грунта с известным влагосо- держанием W01 до температуры Т0, ниже которой фазовый переход практически не происходит (дл  большинства грунтов Т0 не превышает-10°С). Далее производ т нагрев этого образца и одновременно замер ют количество поступающего тепла. При этом происходит плавление льда и изменение льдистости U(T) образца. Далее определ ют температуру оттаивани  Ti, при которой весь лед, наход щийс  в образце, переходит в воду и при этой температуре прекращают замер теплового потока и получают количество тепла Q(Ti), затраченного на от00A soil sample with a known moisture content of W01 to a temperature T0, below which a phase transition practically does not occur (for most soils, T0 does not exceed -10 ° C). This sample is then heated and the amount of incoming heat is measured at the same time. In this case, ice melts and the ice content U (T) of the sample changes. Then, the thawing temperature Ti is determined at which all the ice in the sample passes into water and at this temperature the heat flow is stopped and the amount of heat Q (Ti) spent on

САCA

чh

ЮYU

таивание образца от температуры Т0 и Ti. Затем измен ют влажность образца высу- шиванием или насыщением влагой так, чтобы новое значение суммарного влагосодержзни  W02 соответствовало зоне интенсивных фазовых превращений дл  данного типа грунта. Повтор ют охлаждение до температуры То- производ т нагрев образца, при этом изменение льдистости равно L.2(T), затем определ ют температуру оттаивани  Та, определ ют количество тепла Q{T2), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0 и Т2 и вновь мен ют влажность образца, а именно, довод т доThawing of the sample from temperature T0 and Ti. Then, the humidity of the sample is changed by drying or saturation with moisture so that the new value of the total moisture content W02 corresponds to the zone of intense phase transformations for this type of soil. Cooling is repeated to a temperature of T - the sample is heated, the change in ice content is L.2 (T), then the defrost temperature Ta is determined, the amount of heat Q (T2) spent on thawing the sample from the temperature T0 and T2 is determined and again change the humidity of the sample, namely, adjusted to

следующего значени , расположенного вnext value located in

зоне интенсивных фазовых превращений. Сопоставив изменение количества тепла, затраченного на оттаивание образца, и изменение льдистости, определ ют теплоту фазового перехода св занной воды. Повто- рив эти операции несколько раз и учитыва , что зависимость суммарного влагосодержа- ни  от температуры оттаивани  аналогична зависимости количества незамерзшей водыzone of intense phase transformations. By comparing the change in the amount of heat expended in thawing the sample and the change in ice content, the heat of phase transition of the bound water is determined. Repeating these operations several times and taking into account that the dependence of the total moisture content on the defrost temperature is similar to the dependence of the amount of unfrozen water

- -

от температуры по полученным данным оп редел ют зависимости W0(T) и Q(T), Затем искомую характеристику рассчитывают по формуле:according to the obtained data, the dependences W0 (T) and Q (T) are determined. Then, the desired characteristic is calculated by the formula:

- -

, - с. т - bjffi / w. (т) a аш.; ,(}- - - .- , - with. t - bjffi / w. (t) a ash .; , (} - - - .-

жшwsh

где Ко теплота фазового перехода свободной воды;where Ko is the heat of the phase transition of free water;

Сл.Св.Сгр - соответственно удельна  теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;Sl. St. Sgr - respectively, the specific heat of ice, water and the frame of the soil sample;

Т - температура;T is the temperature;

Wo(T) - зависимость суммарного влаго- содержани  от температуры оттаивани ; Wo (T) is the dependence of the total moisture content on the defrost temperature;

Wo{T) - суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивани  которого равна 0°С;Wo {T) is the total moisture content of the soil, the thawing temperature of which is 0 ° C;

Q(T) зависимость теплоты оттаивани ; mrp - масса каркаса образца грунта. Q (T) is the heat of defrosting; mrp is the mass of the frame of the soil sample.

Способ по сн етс  фиг, 1-3.The method is illustrated in FIGS. 1-3.

Устройство, реализующее способ определени  теплоты фазового перехода св занной воды в мерзлых грунтах, содержит теплометрическую  чейку 1, котора  пред- ставл ет собой пассивный сканирующий ка- лориметр, позвол ющий определ ть температуру и количество теплоты, выделившейс  на разных стади х процесса оттаивани  мерзлого грунта 2, помещенного в рабочий объем  чейки. В  чейке установлены датчики теплового потока 3 - тепломеры, представл ющий собой батареи последовательно соединенных термопар, Дл  тепло 5 Ю A device that implements a method for determining the heat of phase transition of bound water in frozen soils contains a thermometric cell 1, which is a passive scanning calorimeter that allows you to determine the temperature and the amount of heat released at different stages of the process of thawing frozen ground 2, placed in the working volume of the cell. Heat flow sensors 3 are installed in the cell - heat meters, which are batteries of thermocouples connected in series, for heat 5

15fifteen

20 twenty

2525

30thirty

3535

4040

55

50 55 изол ции боковой поверхности  чейка помещена в каркас из пенопласта 4. Така  конструкци   чейки позвол ет контролировать весь тепловой лоток, пронизывающий исследуемый грунт. В центре рабочей камеры размещена дифференциальна  термопара 5, котора  измер ют температуру грунта. Один спай термопары помещен в нуль термостат . Кроме того, устройство содержит усилитель сигнала термопары 6, двухкоор- динатный графопостроитель 7 и самопишущий потенциометр 8.50 55 the insulation of the lateral surface of the cell is placed in the foam plastic frame 4. This design of the cell allows the entire heat tray penetrating the test soil to be controlled. A differential thermocouple 5 is located in the center of the working chamber, which measures the temperature of the soil. One junction thermocouple placed in a zero thermostat. In addition, the device includes a thermocouple signal amplifier 6, a two-axis plotter 7, and a self-recording potentiometer 8.

Термопара 5 подключена к входу усилител  б, выход которого соединен с X входом графопостроител  8. Датчики теплового потока 3 подключены к самопишущему потенциометру 7 и к Y входу графопостроител  8.A thermocouple 5 is connected to the input of amplifier b, the output of which is connected to the X input of plotter 8. Heat flow sensors 3 are connected to a recording potentiometer 7 and to the Y input of plotter 8.

Способ определени  теплоты фазового перехода св занной воды в мерзлых грунтах осуществл ют следующим образом.A method for determining the heat of phase transition of bound water in frozen soils is carried out as follows.

Грунт в талом состо нии, с определенным суммарным влагосодержанием W01, предварительно подготовленный согласно существующим методикам, помещают в камеру 2  чейки. После этого в центр  чейки помещают термопару 5. Ячейку закрывают крышкой и замораживают грунт, охладив до температуры То, ниже которой фазовый переход практически не происходит. Далее  чейку с грунтом помещают в среду с положительной температурой. Происходит отта- ивание грунта, при этом изменение льдистости соответствует функции Li(T). В процессе нагрева с помощью электроизмерительных приборов производ т запись показаний датчиков теплового потока и температуры. На графопостроителе производитс  запись теплового потока как функции температуры q(T), Эта зависимость имеет экстремум, по положению которого определ ют температуру оттаивани  Тч, при которой в грунте завершаетс  фазовый переход лед-вода. На самопишущем потенциометре регистрируетс  изменение теплового потока от времени q(t). При достижении температуры Ti запись показаний теплового потока прекращают. По полученным данным рассчитывают количество тепла Q(Ti), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0 и Ti. Далее измен ют влажность образца высушиванием или насыщением влагой (в данном примере - высушиванием), так, чтобы новое значение W02 соответствовало зоне интенсивных Фазовых превращений дл  данного типа грунта . Затем повтор ют все операции - охлаждают грунт до температуры Т0, производ т нагрев  чейки с грунтом (при этой влажности изменение льдистости соответствует LaCO п° кривой q(T) на графопостроителе определ ют температуру оттаивани  Та, и по термограмме на самопишущем потенциометре определ ют количество тепла Q(Ta), затраченного на оттаивание образца от температуры Т0г до Та. Далее вновь мен ют влажность образца, а именно, довод т до следующего значени , расположенного в зоне интенсивных фазовых превращений и повтор ют все операции сначала. Провед  испытани  несколько раз при различной влажности грунта, по полученным данным определ ют зависимости WoOQ и Q(T). Далее по вышеприведенной формуле рассчитывают теплоту фазового перехода св занной воды.Soil in a thawed state, with a certain total moisture content W01, previously prepared according to existing methods, is placed in a chamber 2 cells. After that, a thermocouple 5 is placed in the center of the cell. The cell is closed with a lid and the soil is frozen, cooled to a temperature To, below which the phase transition practically does not occur. Next, a cell with soil is placed in a positive temperature environment. Soil thawing occurs, while the change in ice content corresponds to the function Li (T). In the process of heating with the help of electrical measuring instruments, the readings of the heat flow and temperature sensors are recorded. The plotter records the heat flux as a function of temperature q (T). This dependence has an extremum, from the position of which the thawing temperature Tch is determined, at which the ice-water phase transition in the soil is completed. A change in heat flux versus time q (t) is recorded on a self-recording potentiometer. When the temperature reaches Ti, the recording of the heat flux readings is stopped. According to the data obtained, the amount of heat Q (Ti) expended in thawing the sample from temperature T0 and Ti is calculated. Next, change the humidity of the sample by drying or saturation with moisture (in this example, drying), so that the new value of W02 corresponds to the zone of intense Phase transformations for this type of soil. Then all operations are repeated - the soil is cooled to a temperature T0, the cell is heated with the soil (at this humidity, the change in ice content corresponds to LaCO and the q (T) curve on the plotter, the defrost temperature Ta is determined, and the amount is determined from the thermogram on the self-recording potentiometer heat Q (Ta) spent on thawing the sample from the temperature T0g to Ta. Then, the humidity of the sample is again changed, namely, adjusted to the next value located in the zone of intense phase transformations and all operations are repeated again. After testing several times at different soil moisture, the WoOQ and Q (T) dependences are determined from the data obtained. Next, the heat of phase transition of bound water is calculated from the above formula.

Пример. Данным способом определ ли теплоту фазового перехода св занной воды в мерзлом каолине. Определение проводилось в следующей последовательности, Example. In this way, the heat of phase transition of bound water in frozen kaolin was determined. The determination was carried out in the following sequence,

1.В лабораторных услови х в талом состо нии был подготовлен грунт с влажностью Woi 50%. Уплотненный грунт поместили в  чейку, затем в него установили термопару.1. Under laboratory conditions, in a thawed state, soil with a Woi humidity of 50% was prepared. The compacted soil was placed in a cell, then a thermocouple was installed in it.

2.Взвешиванием определили массу  чейки с грунтом m 128,4 г.2.Weight determined the mass of the cell with soil m 128.4 g.

3.Ячейку с грунтом охладили в холодильнике до температуры Т0 -4°С. Замораживание длилось в течение 3,5 часов,3. The cell with soil was cooled in the refrigerator to a temperature of T0 -4 ° C. The freeze lasted for 3.5 hours,

4.Ячейку извлекали из холодильника и производили нагрев грунта. Одновременно вели регистрацию показаний датчиков температуры и теплового потока на графопостроителе и потенциометре. По достижении функцией qfl), регистрируемой графопостроителем , максимума, испытани  прекращали . По положению максимума определили температуру оттаивани  грунта4. The cell was removed from the refrigerator and the soil was heated. At the same time, we recorded the readings of temperature and heat flux sensors on a plotter and potentiometer. When the function qfl) recorded by the plotter reaches its maximum, the tests are stopped. The maximum thawing temperature was determined by the position of the maximum

Ti -0,29°C.Ti -0.29 ° C.

5.С термограммы, записанной потенциометром , снимали данные и заносили в табл.1.5. From the thermogram recorded by the potentiometer, the data were taken and entered in table 1.

6.По полученным данным вычисл ли количество теплоты Q(Ti), затраченное на от- таивание грунта от температуры Т0 -4°С до6. According to the data obtained, the amount of heat Q (Ti) calculated for thawing the soil from a temperature of T0 -4 ° С to

Ti -0,29°C. Расчет вели по формуле:Ti -0.29 ° C. The calculation was carried out according to the formula:

N - 1N - 1

Q(t) h Ј (qi + qi+i), qi a E(, 1 1Q (t) h Ј (qi + qi + i), qi a E (, 1 1

где a 0,00558 Дж/мВ с - коэффициент датчиков теплового потока  чейки;where a 0.00558 J / mV s is the coefficient of the heat flow sensors of the cell;

EI - показани  датчиков теплового пото- ка, мВ;EI - readings of heat flux sensors, mV;

| N - количество точек замера экспери- |ментальных данных; h - временной шаг, сек.| N - the number of measuring points of experimental data; h - time step, sec.

Полученное значение количества теплоты Q(Ti) 61,9 кДж/кг.The obtained value of the amount of heat Q (Ti) is 61.9 kJ / kg.

Из проведенного эксперимента значени  W01, Ti, Q(Ti) заносили в таблицу 2.From the experiment, the values of W01, Ti, Q (Ti) were entered into Table 2.

7.Изменили влажность грунта. Дл  этого открыли крышку  чейки и высушивали грунт в течение 1 часа при температуре +20°С, Ячейку закрыли крышкой и взвесили: m 128,2 г. Определили полученную влажность грунта W02 49,2%.7.Changed soil moisture. To do this, the cell lid was opened and the soil was dried for 1 hour at a temperature of + 20 ° C. The cell was closed with a lid and weighed: m 128.2 g. The obtained soil moisture content W02 was 49.2%.

8.Ячейку вновь поместили в холодильник с температурой Т0 -4°С и заморозили грунт.8. The cell was again placed in a refrigerator with a temperature of T0 -4 ° C and the soil was frozen.

9.Ячейку извлекли из холодильника и подвергли нагреву. На графопостроителе и потенциометре в ходе этого регистрировали сигналы датчиков температуры и теплового потока. Испытани  были прекращены по достижении максимума на кривой q(T), по которому была определена температура оттаивани  Тг -0,34°С. По результатам, зарегистрированным потенциометром, заполнили таблицу, подобную 1-й.9. The cell was removed from the refrigerator and subjected to heating. On the plotter and potentiometer, during this, the signals of the temperature and heat flux sensors were recorded. The tests were terminated upon reaching a maximum on the q (T) curve, from which the thaw temperature Tg of -0.34 ° C was determined. According to the results recorded by the potentiometer, filled out a table similar to the 1st.

10.Рассчитали количество теплоты, затраченное на оттаивание грунта от температуры То -4°С до температуры Т2 -0,34°С:10. Calculated the amount of heat spent on thawing the soil from a temperature of -4 ° C to a temperature of T2 -0.34 ° C:

О.) 60,13 кДж/кг. Полученные значени  занесли в таблицу 2.O.) 60.13 kJ / kg. The obtained values are listed in table 2.

11.Далее вновь производили изменение влажности высушиванием и повтор ли операции, описанные выше. Изменение влажности производили несколько раз с тем, чтобы перекрыть весь диапазон эффективных фазовых превращений дл  данного типа грунта. Полученные данные вновь заносили в табл.2.11. Next, the humidity was again changed by drying, and the operations described above were repeated. Humidity was changed several times in order to cover the entire range of effective phase transformations for a given type of soil. The obtained data were again entered in table 2.

12.Примен   статистическую обработку экспериментальных данных с последующей аппроксимацией, получили зависимости W0(T) и Q0(T)12.Application of statistical processing of experimental data with subsequent approximation, obtained dependences W0 (T) and Q0 (T)

WofT) 4,2 - 0,778 (1/ТЗ) + 24.1 (1 /Т)WofT) 4.2 - 0.778 (1 / TK) + 24.1 (1 / T)

QofT) 85,9 - 57,7 l/TQofT) 85.9 - 57.7 l / T

Полученные функции подставили в приведенную формулу и определили температурную зависимость к (Т):The obtained functions were substituted into the above formula and the temperature dependence of k (T) was determined:

)И}(-Сл -тСв - 2 Сл W0(0)) And} (- Сл -тСв - 2 Сл W0 (0)

Claims (1)

/о w0(t)dt)Результаты расчета приведены в табл.3. Формула изобретени  Способ определени  теплоты фазового перехода св занной воды в мерзлых грунтах , включающий определение суммарного влагосодержани , нагрев предварительно замороженного до определенной температуры образца грунта и определение температуры оттаивани  с последующим вычислением искомой характеристики, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, дополнительно измер ют количество тепла оттаивани , затраченного на нагрев образца от начальной температуры до температуры оттаивани  при различных/ o w0 (t) dt) The calculation results are given in Table 3. SUMMARY OF THE INVENTION A method for determining the phase transition heat of bound water in frozen soils, including determining the total moisture content, heating a soil sample pre-frozen to a certain temperature, and determining a thawing temperature, followed by calculating the desired characteristic, characterized in that, in order to improve accuracy, they are additionally measured the amount of defrost heat spent on heating the sample from the initial temperature to the defrost temperature at various значени х начальной влажности образца, обеспечивающих нахождение температур оттаивани  в зоне интенсивных фазовых превращений , определ ют зависимость суммарного влагосодержани  и теплоты оттаивани  от температуры оттаивани , а искомую характеристику рассчитывают по формулеthe values of the initial moisture content of the sample, providing the defrost temperature in the zone of intense phase transformations, determine the dependence of the total moisture content and heat of thawing on the defrost temperature, and the desired characteristic is calculated by the formula -T.-% .а)-те(%Ј + сгрт-T .-% .a) -the (% Ј + sgrt w,w W0(0)W0 (0) ТСЦО тгр TSCO tgr где Х0 - теплота фазового перехода свободной воды;where X0 is the heat of the phase transition of free water; Сл, Св, Сгр соответственно удельна  теплоемкость льда, воды и каркаса образца грунта;Sl, St, Cgr, respectively, the specific heat of ice, water and the frame of the soil sample; Т - температура оттаивани ;T is the defrost temperature; W0(D - зависимость суммарного влагосодержани  от температуры оттаивани ;W0 (D is the dependence of the total moisture content on the defrost temperature; те(%Јthose (% Ј ТСЦО тгр TSCO tgr W0(0) - суммарное влагосодержание грунта, температура оттаивани  которого равна 0°С;W0 (0) is the total moisture content of the soil, the thawing temperature of which is 0 ° C; Q(T) - зависимость теплоты оттаивани  от температуры оттаивани ;Q (T) is the dependence of the heat of thawing on the temperature of thawing; mrp - масса каркаса образца грунта,mrp is the mass of the frame of the soil sample, Т а б л и ц а 1Table 1 Таблица 2table 2 . Таблица 3. Table 3 3 Тепловой поток3 Heat flow 11 ttn-tfttn-tf Ф-116F-116 гтrm ТоThen ТT Фиг.1Figure 1 Ч(Т)т8H (T) T8 А AND 200200 т, тгt, tg Фие.ЗFie.Z То Т °СThen T ° C